DE102005049774A1

DE102005049774A1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102005049774A1
Application number: DE200510049774
Authority: DE
Inventors: Torsten Schulz; Steffen Strauss
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-10-18
Filing date: 2005-10-18
Publication date: 2007-04-19
Also published as: WO2007045618A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils (11) einer Brennkraftmaschine angegeben, die einen auf einer drehbaren Nockenwelle (17) drehfest sitzenden Nocken (16), ein zwischen Nocken (16) und Gaswechselventil (11) angeordnetes Übertragungsglied (18) zum Umsetzen der Drehbewegung des Nockens (16) in eine Hubbewegung des Gaswechselventils (11) und eine das Gaswechselventil (11) in seine Schließstellung zurückführende Ventilschließfeder (19) aufweist. Zur Sicherstellung einer zuverlässigen Schließung des Gaswechselventils (11) in allen Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine einerseits und eine Verringerung der Reibungsverluste im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine andererseits ist die Ventilschließfeder (19) mit veränderbarer Federkonstante ausgebildet und die Größe der Federkonstante abhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine einstellbar.

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Ventilschließfeder in einer solchen, Ventiltrieb genannten Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine hat die Aufgabe, das Gaswechselventil stets sicher zu schließen, so dass das Gaswechselventil in keinem Betriebszustand der Brennkraftmaschine unkontrolliert vom Ventilsitz abhebt und insbesondere bei hohen Drehzahlen nicht zum sog. "Flattern" neigt. Hierzu wird die Ventilschließfeder hinsichtlich ihrer Federkonstanten auf die maximale Drehzahl der Brennkraftmaschine abgestimmt, wird also entsprechend steif ausgeführt. Die Steifheit der Ventilschließfeder verursacht andererseits relativ hohe Reibungsverluste, die auch im niederen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine, in dem für das zuverlässige Schließen des Gaswechselventils eine sehr viel niedrigere Federsteifigkeit der Ventilschließfeder ausreichend wäre, auftreten. In letzter Konsequenz führen die Reibungsverluste zu einem höheren Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die nunmehr mögliche Anpassung der Federsteifigkeit oder Federrate oder Federkonstanten der Ventilschließfeder an die Drehzahl der Brennkraftmaschine einerseits ein sicheres Schließen des Gaswechselventils bei maximaler Drehzahl nach wie vor gewährleistet ist und andererseits die Reibungsverluste im niedrigen Drehzahlbereich durch eine verringerte Federsteifigkeit sehr stark reduziert werden, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads der Brennkraftmaschine und einer Reduktion des Kraftstoffverbrauchs führt. Umgekehrt lässt sich aber auch durch Erhöhung der Federsteifigkeit die maximale Drehzahl der Brennkraftmaschine nach oben verschieben, ohne dass die Reibungsverluste im niedrigeren Drehzahlbereich mit anwachsen und sich der Kraftstoffverbrauch erhöht.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Vorrichtung möglich.
Zeichnung
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematisierte Darstellung eines Ventiltriebs für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine,
2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts A und 3 in 1 in Einrückstellung (2) und Ausrückstellung (3) der Kupplung zwischen Tassenteilen des Ventiltriebs.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die in 1 schematisiert dargestellte Vorrichtung, im folgenden Ventiltrieb genannt, dient zum Betätigen eines Gaswechselventils 11, das eine in einem Zylinderkopf 12 eines Verbrennungszylinders der Brennkraftmaschine ausgebildete Ventilöffnung 13 schließt und öffnet. Die Ventilöffnung 13 ist an einem Gaskanal 14 angeschlossen. Das Gaswechselventil 11 kann ein Einlassventil oder ein Auslassventil sein. Im Falle des Einlassventils ist die Ventilöffnung 13 ein Zylindereinlass und der Gaskanal 14 ein Ansaugkanal, und im Falle des Auslassventils ist die Ventilöffnung 13 ein Zylinderauslass und der Gaskanal 14 ein Abgasstutzen. Das Gaswechselventil 11 weist einen Ventilstößel 111 und ein am Ende des Ventilstößels 111 ausgebildetes Ventilglied 112 auf, das mit einem im Zylinderkopf 12 ausgebildeten Ventilsitz 15 zusammenwirkt.
Der Ventiltrieb umfasst einen Nocken 16, der auf einer Nockenwelle 17 starr befestigt ist, ein Übertragungsglied 18, das die Drehbewegung des Nockens 16 in eine Hubbewegung des Gaswechselventils 11 umsetzt, wozu das am Zylinderkopf 12 axial verschieblich geführte Übertragungsglied 18 mit dem vom Ventilglied 112 abgekehrten Ende des Ventilstößels 111 fest verbunden ist, und eine Ventilschließfeder 19. Die Nockenwelle 17 wird in bekannter Weise über eine Kette oder einen Riemen von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben. Üblicherweise verfügt die Brennkraftmaschine über mindestens zwei Gaswechselventile 11 pro Verbrennungszylinder und alle Nocken 16 der Ventiltriebe sitzen auf der gemeinsamen Nockenwelle 17. Mit jeder Umdrehung des Nockens 16 wird der Ventilstößel 111 soweit verschoben, dass das Ventilglied 112 von dem Ventilsitz 15 abhebt und die Ventilöffnung 13 freigegeben ist. Das anschließende Schließen des Gaswechselventils 11 wird mittels der Ventilschließfeder 19 bewirkt, die einerseits das Übertragungsglied 18 in Anlage an der Kontur des Nockens 16 hält und andererseits das Ventilglied 112 in der oberen Endlage der Hubbewegung des Ventilstößels 111 auf den Ventilsitz 15 am Zylinderkopf 12 aufpresst. In der Zeichnung ist das Gaswechselventil 11 maximal geöffnet dargestellt, wobei der Ventilstößel 111 mit Ventilglied 112 seine untere Hubendlage einnimmt.
Um die Rückstellkraft der Ventilschließfeder 19 an unterschiedliche Drehzahlbereiche der Brennkraftmaschine anpassen zu können, so dass die Rückstellkraft einerseits bei hohen Drehzahlen ausreichend hoch ist, um ein Flattern des Gaswechselventils 11 zuverlässig zu verhindern und andererseits bei kleinen Drehzahlen ausreichend klein ist, um die Reibungsverluste zwischen Nocken 16 und Übertragungsglied 18 zu minimieren, ist die Federkonstante oder Federrate der Ventilschließfeder 19 variabel gehalten und die Größe der Federkonstanten abhängig von der Drehzahl der Brennmaschine einstellbar. Vorzugsweise ist die Federkonstante mittels einer Schaltvorrichtung 20 in zwei Größen umschaltbar, wobei eine hohe Federkonstante einer hohen Drehzahl der Brennkraftmaschine und eine geringere Federkonstante dem niedrigen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zugeordnet ist.
Zur Realisierung der unterschiedlichen Federkonstanten der Ventilschließfeder 19 besteht die Ventilschließfeder 19 aus mindestens zwei parallelen Federelementen 21, 22 von denen mindestens ein Federelement mittels der Schaltvorrichtung 20 wirksam und unwirksam schaltbar ist. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Federelemente 21, 22 als konzentrische Druckfedern 23, 29 ausgebildet, die sich einerseits am Zylinderkopf 12 und andererseits am Übertragungsglied 18 abstützen. Das Übertragungsglied 18 ist als zweiteilige Tasse 25 ausgeführt, die einen zentralen, inneren Tassenteil 251 und einen dazu konzentrisch angeordneten, äußeren Tassenteil 252 aufweist, der den inneren Tassenteil 251 ringförmig umschließt. Der innere Tassenteil 251 ist von dem Nocken 16 beaufschlagt. Die Druckfeder 23 stützt sich am inneren Tassenteil 251 und die Druckfeder 24 am äußeren Tassenteil 252 ab. Zwischen den beiden Tassenteilen 251, 252 ist eine in 2 und 3 im Detail skizzierte Kupplung 26 angeordnet, die mittels der Schaltvorrichtung 20 ein- und ausrückbar ist. Im eingerückten Zustand der Kupplung 26 (2) sind die beiden Tassenteile 251, 252 starr miteinander verbunden, so dass die beiden Druckfedern 23, 24 gemeinsam wirksam sind. Bei ausgerückter Kupplung 26 (3) ist der äußere Tassenteil 252 vom inneren Tassenteil 251 abgekoppelt, so dass letztere bei der Hubbewegung des Gaswechselventils 11 seine Lage unverändert beibehält und beim Ventilhub ausschließlich die innere Druckfeder 23 wirksam ist.
In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel des Ventiltriebs ist die Kupplung 26 mittels eines Kupplungsstiftes 27 realisiert, der in miteinander fluchtenden Radialbohrungen 28, 29 in den beiden Tassenteilen 251 und 252 axial verschiebbar geführt ist. Die in den inneren Tassenteil 251 eingebrachte Radialbohrung 28 ist als Sacklochbohrung ausgeführt. Der Kupplungsstift 27 wird beispielsweise hydraulisch betätigt und stellt dann einen Verschiebekolben dar, der auf seiner einen Kolbenfläche mit einem Fluid beaufschlagbar ist. Die Schaltvorrichtung 20 ist z.B. als hydraulisches Umschaltventil 32 ausgebildet, das von einem elektrischen Steuergerät 31 betätigt wird. Das hydraulische Umschaltventil 32 kann beispielsweise ein 3/2-Wege-Magnetventil sein, dessen Elektromagnet von dem Steuergerät 31 beaufschlagt wird. Von den drei Ventilanschlüssen des Umschaltventils 32 ist dann ein Ventilanschluss an der Radialbohrung 29 des äußeren Tassenteils 252, ein Ventilanschluss an einer Fluidquelle 33 und ein Ventilanschluss an einer zu einem Fluidreservoir 34 führenden Rücklaufleitung 35 angeschlossen. Als Fluid wird vorzugsweise das im Motorölkreislauf zur Schmierung der Brennkraftmaschine umlaufende Motoröl verwendet, wozu zwei der Ventilanschlüsse mit dem Motorölkreislauf 36 verbunden sind. Von dem Motorölkreislauf 36 sind in der Zeichnung lediglich die Hauptkomponenten: Ölwanne 37, Ölpumpe 38, Rückschlagventil 39, Überdruckventil 40 und Rückführleitung 41 dargestellt. Das Steuergerät 31, dem neben der Drehzahl n der Brennkraftmaschine weitere Betriebsparameter zugeführt sind, generiert in Abhängigkeit von diesen Betriebsparametern ein Stell- oder Umschaltsignal für das Umschaltventil 32. Im oberen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine nimmt beispielsweise das Umschaltventil 32 seine in 1 dargestellte Stellung ein, in der der Kupplungsstift 27 von dem unter Druck stehenden Motoröl beaufschlagt (Pfeil 30 in 2) und teilweise in die Radialbohrung 28 im inneren Tassenteil 251 eingeschoben ist. Der Kupplungsstift 27 liegt in beiden Radialbohrungen 28, 29 ein, und die beiden Tassenteile 251, 252 sind fest miteinander verbunden (2). Beide Druckfedern 23, 24 sind beim Hub der Tasse 25 wirksam. Im unteren Drehzahlbereich wird das Umschaltventil 32 vom Steuergerät 31 umgeschaltet, so dass die Radialbohrung 29 im äußeren Tassenteil 252 an die Rückführleitung 41 des Motorölkreislaufs angeschlossen ist. Der Druck auf den Kupplungsstift 27 entfällt und dieser wird von einer hier nicht dargestellten Rückstellkraft vollständig aus der Radialbohrung 28 im inneren Tassenteil 251 ausgeschoben. Damit sind die beiden Tassenteile 251, 252 voneinander gelöst und beim Hub der Tasse 25 ist nur die innere Druckfeder 23 wirksam. Die Federkonstante der Ventilschließfeder 19 ist somit ausschließlich von der Federkonstanten der inneren Druckfeder 23 bestimmt und damit niedriger als im oberen Drehzahlbereich. Mit der niedrigeren Federkonstanten oder Federrate der Ventilschließfeder 19 ist die Reibung zwischen Nocken 16 und Tasse 25 reduziert, was sich auf den Kraftstoffverbrauch im unteren Drehzahlbereich günstig auswirkt. Die Rückstellkraft zum Ausschieben des Kupplungsstiftes 27 aus der Radialbohrung 28 im inneren Tassenteil 251 kann auf verschiedene Weise erzeugt werden, z.B. durch ein abgeschlossenes, kompressibles Gasvolumen in der Radialbohrung 28.
Alternativ kann die Verschiebung des Kupplungsstiftes 27 auch pneumatisch mittels Unterdrucks erfolgen. Der Kupplungsstift 27 wird dabei beispielsweise durch eine im äußeren Tassenteil 252 angeordnete Rückstellfeder in teilweiser Einschiebestellung in der Radialbohrung 28 im inneren Tassenteil 251 gehalten und durch Unterdruck gegen die Rückstellkraft der Rückstellfeder aus der Radialbohrung 28 vollständig ausgezogen. Auch eine elektromagnetische Verschiebung des Kupplungsstiftes 27 zum Ein- und Ausrücken der Kupplung 26 ist möglich.

Claims

Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils (11) einer Brennkraftmaschine, mit einem auf einer drehbaren Nockenwelle (17) drehfest sitzenden Nocken (16), mit einem zwischen Nocken (16) und Gaswechselventil (11) angeordneten Übertragungsglied (18) zum Umsetzen der Drehbewegung des Nockens (16) in eine Hubbewegung des Gaswechselventils (11) und mit einer das Gaswechselventil (11) in seine Schließstellung zurückführenden Ventilschließfeder (19), dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilschließfeder (19) mit veränderbarer Federkonstante ausgebildet ist und die Größe der Federkonstanten abhängig von mindestens der Drehzahl der Brennkraftmaschine einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkonstante der Ventilschließfeder (19) zwischen mindestens zwei Größen umschaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilschließfeder (19) aus mindestens zwei parallelen Federelementen (2l, 22) mit voneinander abweichenden Federkonstanten besteht, von denen mindestens ein Federelement (22) im unteren Drehzahlbereich unwirksam schaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Federelement (21) permanent das Übertragungsglied (18) beaufschlagt und mindestens ein weiteres Federelement auf das Übertragungsglied (18) auf- und vom Übertragungsglied (18) abschaltbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungsglied (18) als eine mindestens zweiteilige Tasse (25) mit einem zentralen, inneren Tassenteil (251) und mindestens einem konzentrisch dazu angeordneten, äußeren Tassenteil (252) ausgebildet ist, dass die Federelemente (21, 22) als konzentrisch angeordnete Druckfedern (23, 24) ausgebildet sind, von denen sich jeweils eine an einem der Tassenteile (251, 252) abstützt, und dass zwischen den Tassenteilen (251, 252) eine mittels einer Schaltvorrichtung (20) ein- und ausrückbare Kupplung (26) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (26) einen Kupplungsstifte (27) aufweist, der in in den Tassenteilen (251, 252) ausgebildeten, miteinander fluchtenden Radialbohrungen (28, 29) axial verschieblich geführt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kupplungsstift (27) als ein von einem Fluid beaufschlagbarer Verschiebekolben ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltvorrichtung (20) ein von einem elektrischen Steuergerät (31) betätigtes, hydraulisches Umschaltventil (32) aufweist, von dessen Ventilanschlüssen einer an eine Fluidquelle (33), einer an die fluchtenden Radialbohrungen (28, 29) in den Tassenteilen (251, 252) und einer an eine Fluidrückführleitung (35) gelegt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (31) ein elektrisches Schaltsignal für das hydraulische Umschaltventil (32) in Abhängigkeit von der Drehzahl und weiteren Betriebsparametern der Brennkraftmaschine generiert.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Umschaltventil (32) ein 3/2-Wege-Magnetventil mit Federrückstellung ist.